DE102011051954B4 - Photovoltaic system with bias on the inverter - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Umwandlung einer eingangsseitig angelegten elektrischen Gleichspannung aus einem Photovoltaikgenerator (2) in eine ausgangsseitige Wechselspannung mit wenigstens einem transformatorlosen Wechselrichter (3), der einen Gleichspannungseingang (7) zum Anschluss eines Photovoltaikgenerators (2) und einen Wechselspannungsausgang (8) aufweist; mit einer Vorspannungserzeugungseinrichtung (43) zum Anlegen eines Vorspannungspotentials an dem Wechselspannungsausgang (8) des Wechselrichters (3), wodurch auch das Spannungspotential an dem Gleichspannungseingang (7) des Wechselrichters (3) beeinflusst wird; und mit einer induktiven HF-Entkopplungseinrichtung (52), die zur HF-Entkopplung der Wechselspannungsseite von der Gleichspannungsseite des Wechselrichters (3) eingerichtet ist, wobei die induktive HF-Entkopplungseinrichtung (52) eine Induktivität (53) aufweist, die in Reihe zu der Vorspannungserzeugungseinrichtung (43) in einem Zweig (42) zwischen Erde (44) und einem von der Gleichspannungsseite zu der Wechselspannungsseite des Wechselrichters (3) hindurchgeführten Neutralleiter (22, 41) angeschlossen ist, oder die induktive HF-Entkopplungseinrichtung (52) eine der Anzahl der phasenführenden Ausgangsanschlüsse (12, 13, 14) des Wechselrichters (3) entsprechende Anzahl von Induktivitäten (54, 56, 57) aufweist, die jeweils mit einem Ausgangsanschluss (12, 13, 14) und andererseits mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt (58) verbunden sind, wobei die Vorspannungserzeugungseinrichtung (43) zwischen Erde (44) und dem gemeinsamen Verbindungspunkt (58) angeschlossen ist.Apparatus for converting an input DC electrical voltage from a photovoltaic generator (2) to an output AC voltage having at least one transformerless inverter (3) having a DC input (7) for connecting a photovoltaic generator (2) and an AC output (8); a bias voltage generator (43) for applying a bias potential to the AC output (8) of the inverter (3), thereby also affecting the voltage potential at the DC input (7) of the inverter (3); and an inductive RF decoupler (52) adapted for RF decoupling of the AC side from the DC side of the inverter (3), the inductive RF decoupler (52) having an inductance (53) connected in series with the Bias generating means (43) is connected in a branch (42) between ground (44) and a neutral conductor (22, 41) passed from the DC side to the AC side of the inverter (3), or the inductive RF decoupling means (52) is one of the plurality the phase-leading output terminals (12, 13, 14) of the inverter (3) has a corresponding number of inductors (54, 56, 57) connected respectively to an output terminal (12, 13, 14) and to a common connection point (58) with biasing means (43) connected between ground (44) and common connection point (58).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine Photovoltaikanlage mit einer Vorspannungserzeugungseinrichtung zur Erzeugung einer Vorspannung an einem Wechselrichter der Photovoltaikanlage.The present invention relates to a device for a photovoltaic system with a bias voltage generating device for generating a bias voltage to an inverter of the photovoltaic system.
Photovoltaikanlagen mit einem Photovoltaikgenerator, der aus der Sonnenenergie elektrische Energie erzeugt, einem Wechselrichter, der eine von dem Photovoltaikgenerator bereitgestellte Gleichspannung in Wechselspannung umwandelt und diese bspw. in ein Energieversorgungsnetz einspeist, finden zunehmende Verwendung. Eine Photovoltaikanlage kann eine Vielzahl von Photovoltaikzellen und/oder Wechselrichtern aufweisen. Einzelne Photovoltaikzellen sind gewöhnlich zu einem Modul und ein oder mehrere Module zu sogenannten Strings in Reihe geschaltet, die den Photovoltaikgenerator bilden. Dieser liefert dann eine hohe Gleichspannung bis über 1000 Volt an den Wechselrichter, der diese in eine Wechselspannung und einen Wechselstrom mit einer mit dem zu speisenden Netz konformen Amplitude, Phase und Frequenz umwandelt. Zu diesem Zweck sind ein- oder dreiphasige Wechselrichter mit und ohne Transformator bekannt.Photovoltaic systems with a photovoltaic generator that generates electrical energy from solar energy, an inverter that converts a DC voltage provided by the photovoltaic generator into AC voltage and feeds it, for example, into a power supply network, are finding increasing use. A photovoltaic system may have a plurality of photovoltaic cells and / or inverters. Individual photovoltaic cells are usually connected in series with a module and one or more modules in strings, which form the photovoltaic generator. This then supplies a high DC voltage to over 1000 volts to the inverter, which converts them into an AC voltage and an AC current with an amplitude, phase and frequency conforming to the network to be fed. For this purpose, single or three-phase inverters with and without transformer are known.
Transformatorlose Wechselrichter, die ohne galvanische Trennung des Photovoltaikgenerators Leistung in die Netzwechselspannung umwandeln, werden bevorzugt, weil sie kleiner bauen, kostengünstiger sind und gegenüber transformatorbasierten Wechselrichtern einen deutlich besseren Wirkungsgrad haben. Allerdings ist aufgrund der fehlenden galvanischen Trennung zwischen Gleich- und Wechselspannungsseite nicht möglich, an dem positiven bzw. negativen Pol der Photovoltaikmodule ein definiertes Potential in Bezug auf die Erde, bspw. durch Erdung, festzulegen. Ein definiertes Potential gegenüber dem Erdpotential am Photovoltaikgenerator kann aber erforderlich sein, um z. B. gesetzlichen Vorschriften in Bezug auf Obergrenzen für Potentialunterschiede an Anlagenteilen zu genügen, um die Erfassung von Isolationsfehlern zu ermöglichen, um eine TCO-Korrosion oder eine Wirkungsgradverschlechterung an bestimmten Photovoltaikmodulen zu vermeiden, etc.Transformerless inverters, which convert power into the mains AC voltage without galvanic isolation of the photovoltaic generator, are preferred because they are smaller in size, less expensive and have a significantly better efficiency compared to transformer-based inverters. However, due to the lack of electrical isolation between the DC and AC side, it is not possible to define a defined potential with respect to the earth, for example by grounding, at the positive or negative pole of the photovoltaic modules. A defined potential compared to the ground potential at the photovoltaic generator but may be required to z. For example, it is necessary to comply with legal requirements regarding upper limits for potential differences at plant components in order to enable the detection of insulation faults in order to avoid TCO corrosion or deterioration of efficiency in certain photovoltaic modules, etc.
Bspw. ist festgestellt worden, dass sich an bestimmten Photovoltaikmodulen, insbesondere an Dünnschichtmodulen, irreparable Schäden durch sogenannte „TCO-Korrosion”, eine Korrosion an einer transparenten, elektrisch leitfähigen Beschichtung, der sogenannten TCO-Schicht (Transparent Conductive Oxide), bilden können. Die TCO-Schicht korrodiert unter dem Einfluss von Feuchtigkeit und Wärme, was zum Ausfall einzelner Bereiche von Photovoltaikmodulen und schließlich zum Verlust der Leistungsfähigkeit des gesamten Moduls führen kann. Es ist bekannt, dass sich die TCO-Korrosion schneller bzw. verstärkter ausbildet, wenn die Photovoltaikzellen negative elektrische Potentiale gegen Erde aufweisen.For example. It has been found that on certain photovoltaic modules, in particular on thin-film modules, irreparable damage can be formed by so-called "TCO corrosion", corrosion on a transparent, electrically conductive coating, the so-called TCO (Transparent Conductive Oxide) layer. The TCO layer corrodes under the influence of moisture and heat, which can lead to failure of individual areas of photovoltaic modules and ultimately to the loss of performance of the entire module. It is known that the TCO corrosion forms faster or more intensified when the photovoltaic cells have negative electrical potentials to earth.
Umgekehrt sind bei kristallinen Photovoltaikmodulen mit rückseitiger Kontaktierung der Photovoltaikzellen Wirkungsgradverluste beobachtet worden, falls die Photovoltaikzellen im Betrieb ein positives Spannungspotential zur Erde haben. Die Wirkungsgradverluste scheinen auf einen Polarisationseffekt aufgrund einer statischen Ladung, die sich auf der Oberfläche der Photovoltaikzelle aufbaut, zurückzuführen sein und können reduziert werden, wenn die Photovoltaikzellen unter dem Erdpotential, also bei einem negativeren Potential als das Erdpotential gehalten werden.Conversely, in crystalline photovoltaic modules with back contacting of the photovoltaic cells efficiency losses have been observed if the photovoltaic cells have a positive voltage potential to the ground during operation. The efficiency losses appear to be due to a polarization effect due to a static charge built up on the surface of the photovoltaic cell, and can be reduced if the photovoltaic cells are kept below ground potential, that is, at a more negative potential than ground potential.
Aus den vorgenannten Gründen empfehlen die Hersteller derartiger Photovoltaikmodule, Wechselrichter mit galvanisch trennenden Transformatoren einzusetzen, die das Anlegen eines definierten Potentials gegenüber dem Erdpotential am Photovoltaikgenerator erlauben. Gleichzeitig soll je nach Art des eingesetzten Photovoltaikgenerators sein negativer bzw. positiver Pol geerdet werden. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass die Photovoltaikzellen von Dünnschichtmodulen bzw. rückseitig kontaktierten kristallinen Modulen eine negative bzw. positive Spannung gegenüber der Erde annehmen können. Erkauft wird dies jedoch durch den Einsatz eines transformatorbasierten Wechselrichters, der schwerer und größer baut, die Herstellungs- und Installationskosten erhöht und den Wirkungsgrad verringert.For the reasons mentioned above, the manufacturers of such photovoltaic modules recommend using inverters with galvanically isolating transformers, which allow the application of a defined potential with respect to the ground potential at the photovoltaic generator. At the same time, depending on the type of photovoltaic generator used, its negative or positive pole should be earthed. In this way it can be avoided that the photovoltaic cells of thin-film modules or back contacted crystalline modules have a negative or can accept positive tension against the earth. However, this is made possible by the use of a transformer-based inverter, which is heavier and larger, increases manufacturing and installation costs and reduces efficiency.
In der
In ähnlicher Weise wird auch in der
Durch die vorgeschlagene Überlagerung einer Vorspannung (Verschiebespannung, Offsetspannung) am Wechselspannungsausgang eines transformatorlosen Wechselrichters kann sichergestellt werden, dass das Potential an den Photovoltaikmodulen je nach Anforderung nie einen bestimmten Spannungswert über- bzw. unterschreitet. Damit lassen sich die vorerwähnten TCO-Korrosionen und Polarisationseffekte vermeiden. Allerdings ist am Ausgang des Wechselrichters ein Transformator erforderlich, der die Ausgangsspannung des Wechselrichters auf eine gewünschte Spannung zur Übertragung über Hochspannungsleitungen bzw. zur Einspeisung in ein Netz transformiert. Die der Wechselspannung überlagerte Vorspannung ist dann aufgrund der anschließenden Transformation unerheblich.The proposed superimposition of a bias voltage (offset voltage, offset voltage) at the AC output of a transformerless inverter can ensure that the potential on the photovoltaic modules never exceeds or falls below a certain voltage value as required. Thus, the aforementioned TCO corrosion and polarization effects can be avoided. However, a transformer is required at the output of the inverter, which transforms the output voltage of the inverter to a desired voltage for transmission over power lines or for feeding into a network. The bias voltage superimposed on the alternating voltage is then insignificant due to the subsequent transformation.
Die Potentialschiebeeinrichtung bzw. Offsetspannungsquelle der vorbekannten Photovoltaikanlagen ist zwischen Erde und dem Sternpunkt bzw. Neutralanschluss des ausgangsseitigen Transformators angeschlossen. Dadurch liegt das Potential des Sternpunkts bzw. Neutralpunkts nicht mehr frei, sondern wird festgehalten bzw. ist geklemmt. Dieses Klemmen des Potentials des Sternpunkts bzw. Neutralpunkts kann jedoch zu Ableitströmen führen. Konventionelle Wechselrichter für Photovoltaikanlagen weisen zu Voll- oder Halbbrücken geschaltete Schalterelemente auf, die gemäß einem vorgegebenen Taktmuster und Modulationsverfahren mit hoher Frequenz von bis zu etwa 20 kHz getaktet werden. Bedingt durch diese hochfrequente Taktung der Schalterelemente springt bei einer dreiphasigen Wechselrichterkonfiguration das Spannungspotential an den Wechselspannungsanschlüssen und insbesondere auch an dem Sternpunkt bzw. Neutralpunkt mit relativ hoher Amplitude und hoher Frequenz, die der dreifachen Taktfrequenz entspricht. Wird nun das Potential des Sternpunkts bzw. Neutralpunkts festgehalten, müssen parasitäre Kapazitäten eines Photovoltaikgenerators, die relativ groß, jedenfalls viel größer als entsprechende parasitäre Kapazitäten auf der Ausgangsseite des Wechselrichters sind, umgeladen werden, womit hohe Verschiebungsströme an dem Photovoltaikgenerator und damit hohe Ableitströme auf der Gleichspannungsseite des Wechselrichters verbunden sind.The potential shift device or offset voltage source of the previously known photovoltaic systems is connected between earth and the neutral point or neutral terminal of the output-side transformer. As a result, the potential of the neutral point or neutral point is no longer free, but is held or clamped. However, this clamping of the potential of the neutral point or neutral point can lead to leakage currents. Conventional inverters for photovoltaic systems have full or half bridge switched switching elements which are clocked at a high frequency of up to about 20 kHz according to a given clock pattern and modulation scheme. Due to this high-frequency clocking of the switching elements jumps in a three-phase inverter configuration, the voltage potential at the AC voltage terminals and in particular at the neutral point or neutral point with a relatively high amplitude and high frequency, which corresponds to the triple clock frequency. If now the potential of the neutral point or neutral point is recorded, parasitic capacitances of a photovoltaic generator, which are relatively large, at least much larger than corresponding parasitic capacitances on the output side of the inverter, are reloaded, which high displacement currents to the photovoltaic generator and thus high leakage currents on the DC side of the inverter are connected.
An sich sind die kapazitiven Ableitströme Blindströme und somit verlustfrei. Jedoch können sie unter Umständen, wenn sie z. B. über den Schutzleiter abfließen, ein Gefahrenpotential darstellen, weil bei einer Unterbrechung des Schutzleiters und gleichzeitiger Berührung des Photovoltaikgehäuses ein lebensgefährlicher Körperstrom durch die berührende Person fließen könnte. Dies ist zu vermeiden.As such, the capacitive leakage currents are reactive currents and thus lossless. However, they may under certain circumstances, if they z. B. drain on the protective conductor, represent a potential hazard, because at a break in the protective conductor and simultaneous contact of the photovoltaic housing a life-threatening body current could flow through the touching person. This should be avoided.
Außerdem ist es schwierig, zwischen einem Ableitstrom und einem Fehlerstrom zu differenzieren, der aufgrund eines Fehlers, z. B. einer schadhaften Isolierung, bei einem Kontakt einer spannungsführenden Leitung mit einer geerdeten Person fließt. Um einen hinreichenden Personenschutz zu gewährleisten müssen elektrische Geräte als Vorsichtsmaßnahme bei einem bestimmten Fehlerstrom vom Netz getrennt werden. Insofern kann sich der Wechselrichter hier selbstständig vom Netz trennen, wenn der Ableitstrom zu groß wird. Dies kann den Betrieb stören und die Erzeugungsleistung mindern.In addition, it is difficult to differentiate between a leakage current and a fault current due to an error, eg. As a faulty insulation, flows in a contact of a live line with a grounded person. To ensure adequate personal protection must be electrical equipment as Precaution to be disconnected from the mains for a given fault current. In this respect, the inverter can autonomously disconnect from the grid here, if the leakage current is too large. This can disturb the operation and reduce the power generation.
Außerdem können Ableitströme, wenn sie als Kreisströme über den Wechselrichter und die Vorspannungsquelle fließen, diese beschädigen. Darüber hinaus erschweren Ableitströme die Erfassung von Isolationsfehlern.In addition, leakage currents, when flowing as circulating currents across the inverter and the bias source, can damage them. In addition, leakage currents make the detection of insulation faults difficult.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, die vorstehenden Unzulänglichkeiten zu beseitigen und insbesondere Maßnahmen bzw. Mittel vorzuschlagen, die derartige Ableitströme verweiden bzw. weitgehend reduzieren können. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Umwandlung einer elektrischen Gleichspannung in eine Wechselspannung mit einem transformatorlosen Wechselrichter zu schaffen, die sich zum Betrieb mit Dünnschichtphotovoltaikmodulen wie auch kristallinen Modulen mit rückseitiger Kontaktierung oder anderen Modulen, die ein definiertes maximales oder minimales Potential erfordern, eignet, jedoch Ableitströme und damit verbundene Nachteile vermeidet oder zumindest weitgehend reduziert. Dies vorzugsweise mit einfachen und bevorzugterweise auch bei bestehenden Anlagen nachrüstbaren Mitteln.On this basis, it is an object of the invention to eliminate the above shortcomings and in particular to propose measures or means that can absorb such leakage currents or substantially reduce. In particular, it is an object of the invention to provide a device for converting a DC electrical voltage into an AC voltage with a transformerless inverter suitable for operation with thin film photovoltaic modules as well as crystalline back contacting modules or other modules requiring a defined maximum or minimum potential , but suitable, but avoiding leakage currents and associated disadvantages or at least largely reduced. This preferably with simple and preferably also retrofittable to existing equipment.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine derartige Vorrichtung zu schaffen, die auch eine sichere Erkennung von Isolationsfehlern, insbesondere auch schleichenden Isolationsfehlern im Betrieb ermöglicht.Another object of the present invention is to provide such a device, which also enables a reliable detection of insulation faults, especially creeping insulation faults in operation.
Diese Aufgabe wird mit der Vorrichtung nach Anspruch 1 bzw. dem Zusatzmodul nach Anspruch 14 gelöst.This object is achieved with the device according to claim 1 or the additional module according to
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Umwandlung einer eingangsseitigen elektrischen Gleichspannung aus einem Photovoltaikgenerator in eine ausgangsseitige Wechselspannung geschaffen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Wechselrichter auf, der einen Gleichspannungseingang zum Anschluss eines Photovoltaikgenerators und einen Wechselspannungsausgang aufweist. Der Wechselrichter ist transformatorlos und somit in der Lage, die eingangsseitige Gleichspannung mit hohem Wirkungsgrad in die ausgangsseitige Wechselspannung umzuwandeln.According to a first aspect of the invention, a device is provided for converting an input-side direct electrical voltage from a photovoltaic generator into an output-side alternating voltage. The device according to the invention has an inverter which has a DC voltage input for connecting a photovoltaic generator and an AC voltage output. The inverter is transformerless and thus able to convert the input-side DC voltage with high efficiency in the output side AC voltage.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ferner eine Vorspannungserzeugungseinrichtung zum Anlegen eines Vorspannungspotentials an dem Wechselspannungsausgang des Wechselrichters auf, wodurch gleichzeitig indirekt auch das Spannungspotential an dem Gleichspannungseingang des Wechselrichters beeinflusst wird. Bspw. ermöglicht die Vorspannungserzeugungseinrichtung es, durch Anlegen eines positiven bzw. negativen Vorspannungspotentials an dem Wechselspannungsausgang des Wechselrichters das Spannungspotential an dem Gleichspannungseingang des Wechselrichters derart anzuheben oder abzusenken, dass das Potential an dem negativen Pol eines angeschlossenen Photovoltaikgenerators einen vorbestimmten minimalen Wert, z. B. 0 Volt, gegen Schutzerde (PE) nicht unterschreitet oder der positive Pol einen vorbestimmten maximalen Wert, z. B. 0 Volt, gegen PE nicht überschreitet. Dadurch kann sichergestellt werden, dass alle Photovoltaikzellen je nach Anforderung entweder über (bei positiveren Potentialen) oder unter (bei negativeren Potentialen als) dem Erdpotential gehalten werden, so dass eine schädliche TCO-Korrosion von Dünnschichtmodulen oder Polarisationseffekte bei rückseitig kontaktierten kristallinen Modulen vermieden werden kann bzw. können. Dadurch ist die Grundlage für einen hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung der Sonnenenergie in elektrische Energie gegeben.The device according to the invention further comprises a bias voltage generating means for applying a bias potential to the AC output of the inverter, thereby indirectly also indirectly affecting the voltage potential at the DC input of the inverter. For example. allows the bias voltage generating means, by applying a positive or negative bias potential to the AC output of the inverter to raise or lower the voltage potential at the DC input of the inverter such that the potential at the negative pole of a connected photovoltaic generator has a predetermined minimum value, for. B. 0 volts, against protective earth (PE) does not fall below or the positive pole a predetermined maximum value, z. B. 0 volts, against PE does not exceed. As a result, it can be ensured that all photovoltaic cells are kept either above (at more positive potentials) or below (at more negative potentials than) the ground potential, so that harmful TCO corrosion of thin-film modules or polarization effects in the case of back-contacted crystalline modules can be avoided or can. This provides the basis for high efficiency in the conversion of solar energy into electrical energy.
Die Erfindung ist ferner durch eine induktive Hochfrequenz(HF)-Entkopplungseinrichtung gekennzeichnet, die zur HF-Entkopplung der Wechselspannungsseite von der Gleichspannungsseite des Wechselrichters angeordnet und eingerichtet ist. Erfindungsgemäß weist die induktive HF-Entkopplungseinrichtung eine Induktivität auf, die in Reihe zu der Vorspannungserzeugungseinrichtung in einem Zweig zwischen Erde und einem von der Gleichspannungsseite zu der Wechselspannungsseite des Wechselrichters hindurchgeführten Neutralleiter angeschlossen ist. Alternativ weist die induktive HF-Entkopplungseinrichtung eine der Anzahl der phasenführenden Ausgangsanschlüsse des Wechselrichters entsprechende Anzahl von Induktivitäten auf, die jeweils mit einem Ausgangsanschluss und andererseits mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt verbunden sind, wobei die Vorspannungserzeugungseinrichtung zwischen Erde und dem gemeinsamen Verbindungspunkt angeschlossen ist. Die induktive HF-Entkopplungseinrichtung schafft diese hochfrequenzmäßige Entkopplung, indem sie Potentialsprünge auf der Wechselspannungsseite des Wechselrichters bei konstantem Mittelwert des Potentials entsprechend dem durch die Vorspannungserzeugungseinrichtung vorgegebenen Wert der Vorspannung ermöglicht. Dadurch verhindert die erfindungsgemäße induktive HF-Entkopplungseinrichtung eine Rückkopplung der Potentialsprünge auf die Gleichspannungsseite des Wechselrichters und folglich auf den Photovoltaikgenerator und damit verbundene Verschiebungsströme zur Umladung parasitärer Kapazitäten des Photovoltaikgenerators. In anderen Worten blockiert bzw. dämpft die induktive HF-Entkopplungseinrichtung etwaige Ableitströme und verhindert, dass diese an dem Photovoltaikgenerator entstehen und als Kreisströme über den Wechselrichter und die Vorspannungserzeugungseinrichtung fließen und diese beschädigen können.The invention is further characterized by an inductive high frequency (RF) decoupling device arranged and arranged for RF decoupling of the AC side from the DC side of the inverter. According to the invention, the inductive RF decoupling means comprises an inductor connected in series with the biasing means in a branch between ground and a neutral conductor passed from the DC side to the AC side of the inverter. Alternatively, the inductive RF decoupling device has a number of inductances corresponding to the number of phase-carrying output terminals of the inverter, which are each connected to an output terminal and on the other hand to a common connection point, wherein the bias voltage generator is connected between ground and the common connection point. The inductive RF decoupling device provides this high-frequency decoupling by allowing potential jumps on the AC side of the inverter at a constant average value of the potential corresponding to the predetermined value of the bias voltage by the bias voltage generating means. As a result, the inductive RF decoupling device according to the invention prevents a feedback of the potential jumps to the DC side of the inverter and consequently to the photovoltaic generator and associated displacement currents for the transfer of parasitic capacitances of the photovoltaic generator. In other words, blocks or attenuates the inductive RF decoupling device any leakage currents and prevents them from being generated at the photovoltaic generator and as a circulating currents over the Inverter and the bias generator can flow and damage them.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist vorzugsweise ferner einen Photovoltaikgenerator mit wenigstens einem Photovoltaikmodul auf, um eine Photovoltaikanlage zu bilden. Durch die Vorspannungserzeugungseinrichtung können auch Dünnschichtmodule oder kristalline Module mit rückseitiger Kontaktierung als Photovoltaikmodule schonend und wirksam eingesetzt werden.The device according to the invention preferably also has a photovoltaic generator with at least one photovoltaic module in order to form a photovoltaic system. By the bias voltage generating device and thin-film modules or crystalline modules with back contacting as photovoltaic modules can be used gently and effectively.
Der erfindungsgemäße Wechselrichter ist vorzugsweise in der dreiphasigen Konfiguration mit drei Wechselspannungsausgangsanschlüssen eingerichtet, die jeweils einer der drei Phasen der Ausgangsspannung zugeordnet sind. Natürlich kann der Wechselrichter auch drei gesonderte Wechselrichtereinheiten für die einzelnen Phasen enthalten, und diese können mit dem gleichen oder auch mit gesonderten Photovoltaikgeneratoren gekoppelt sein.The inverter according to the invention is preferably arranged in the three-phase configuration with three AC output terminals, each associated with one of the three phases of the output voltage. Of course, the inverter may also include three separate inverter units for the individual phases, and these may be coupled to the same or separate photovoltaic generators.
Der Wechselrichter kann in der Voll- oder in der Halbbrückenkonfiguration von hochfrequent getakteten Schaltern eingerichtet sein, wie sie in der Technik allgemein bekannt sind. Die Halbbrückenkonfiguration wird bevorzugt, weil sie die Anzahl der Schalterelemente und damit verbundene Kosten, die Schaltverluste und den Steuerungsaufwand reduziert.The inverter may be configured in the full or half bridge configuration of high frequency clocked switches as are well known in the art. The half bridge configuration is preferred because it reduces the number of switch elements and associated costs, switching losses and control overhead.
Vorzugsweise weist der erfindungsgemäße Wechselrichter eine Symmetrierschaltung auf, die dazu dient, die Spannungspotentiale an den Eingangsanschlüssen des Wechselrichters im Wesentlichen symmetrisch in Bezug auf das durch die Vorspannungserzeugungseinrichtung vorgegebenen Vorspannungspotential einzurichten. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, weist der Wechselrichter hierzu einen Gleichspannungszwischenkreis mit zwei in Reihe zueinander zwischen den Gleichspannungseingangsanschlüssen angeschlossenen Energiezwischenspeichern auf, die bspw. durch gleich dimensionierte Kondensatoren gebildet sind. Der Verbindungspunkt zwischen den Energiezwischenspeichern ist mit einem Neutralleiter elektrisch verbunden, an dem auch die Vorspannungserzeugungseinrichtung angeschlossen ist. Damit liegt das vorgegebene Vorspannungspotential im Mittel auch an dem Verbindungspunkt zwischen den Energiezwischenspeichern an. Die Symmetrierschaltung könnte auch durch einen Spannungsteiler auf der Basis von Widerständen, wenngleich verlustbehaftet, oder von Induktivitäten gebildet sein. Jedenfalls kann durch die Symmetrierung erreicht werden, dass die Potentiale am positiven und negativen Eingangsanschluss des Wechselrichters symmetrisch bezüglich des Neutralleiters sind, so dass stets nur eine halbe Photovoltaikgeneratorspannung als Vorspannung ausreicht, um die Potentiale für alle PV-Module auf einem entweder nichtnegativen oder nichtpositiven Potential in Bezug auf das Erdpotential zu halten. Dies vereinfacht eine etwaige Steuerung bzw. Regelung der Vorspannung der Vorspannungserzeugungseinrichtung.Preferably, the inverter according to the invention has a balancing circuit which serves to set up the voltage potentials at the input terminals of the inverter substantially symmetrically with respect to the bias potential predetermined by the bias voltage generating means. In a preferred embodiment of the invention, the inverter has for this purpose a DC intermediate circuit with two energy buffers connected in series with one another between the DC voltage input terminals, which are formed, for example, by identically dimensioned capacitors. The connection point between the energy buffers is electrically connected to a neutral conductor, to which the bias voltage generator is also connected. Thus, the predetermined bias potential is on average also at the connection point between the energy buffers. The balun could also be formed by a voltage divider based on resistors, albeit lossy, or by inductors. In any case, it can be achieved by the balancing that the potentials at the positive and negative input terminal of the inverter are symmetrical with respect to the neutral conductor, so that only half a photovoltaic generator voltage as a bias sufficient to the potentials for all PV modules on either a non-negative or non-positive potential to hold in relation to the earth potential. This simplifies any control of the bias of the bias generator.
Die erfindungsgemäße Photovoltaikanlage weist vorzugsweise ferner einen an den Wechselspannungsausgang des Wechselrichters angeschlossenen Netztransformator auf, der die Wechselrichterausgangsspannung an Netzgrößen eines zu speisenden Netzes angleicht. Zum Beispiel wird die Wechselrichterausgangsspannung auf die Wechselspannung eines öffentlichen Stromversorgungsnetzes oder auf eine Hochspannung transformiert, die sich zur Übertragung über Hochspannungsleitungen eignet. Vorteilhafterweise ermöglicht der Ausgangstransformator eine galvanische Trennung zwischen der Wechselspannungsausgangsseite des Wechselrichters und dem sich anschließenden Netz. Dadurch beeinträchtigt das durch die Vorspannungserzeugungseinrichtung vorgegebene Vorspannungspotential am Ausgang des Wechselrichters die Netzspannung nicht.The photovoltaic system according to the invention preferably further comprises a power transformer connected to the AC output of the inverter, which adjusts the inverter output voltage to grid sizes of a network to be fed. For example, the inverter output voltage is transformed to the AC voltage of a public power grid or to a high voltage suitable for transmission over high voltage power lines. Advantageously, the output transformer allows galvanic isolation between the AC output side of the inverter and the adjoining network. As a result, the bias potential given by the bias voltage generator at the output of the inverter does not affect the mains voltage.
Im Übrigen weist der Transformator vorzugsweise eine mit dem Wechselspannungsausgang des Wechselrichters verbundene Primärseite, eine Sekundärseite zum Anschluss an das Netz und einen Neutralanschluss an der Primärseite auf, der vorzugsweise mit einem Neutralleiter verbunden ist. Besonders bevorzugt ist der Neutralleiter auch an den Mittelpunkt zwischen den Kondensatoren bzw. Energiespeichern in dem Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen, von der Gleichspannungsseite zu der Wechselspannungsseite des Wechselrichters hindurchgeführt und auch mit der Vorspannungserzeugungseinrichtung verbunden. Dies vereinfacht die Auslegung und Steuerung des Wechselrichters und der Vorspannungserzeugungseinrichtung.Incidentally, the transformer preferably has a primary side connected to the alternating voltage output of the inverter, a secondary side for connection to the mains and a neutral connection to the primary side, which is preferably connected to a neutral conductor. Particularly preferably, the neutral conductor is also connected to the midpoint between the capacitors or energy stores in the DC intermediate circuit, passed from the DC side to the AC side of the inverter and also connected to the bias voltage generating means. This simplifies the design and control of the inverter and the bias generator.
Der Netztransformator ist vorzugsweise ein dreiphasiger Transformator, der drei Außenleiterstränge aufweist, die mit einem dreiphasigen Wechselrichter oder mit gesonderten einphasigen Wechselrichtern verbunden sind. In der Sternschaltung sind die anderen Enden dann an dem Sternpunkt zusammengeschaltet, wobei der Sternpunkt vorzugsweise den Neutralanschluss bildet, der über den Neutralleiter mit der Vorspannungserzeugungseinrichtung und dem Verbindungspunkt zwischen den Zwischenkreiskondensatoren elektrisch verbunden ist. Die Vorspannungseinrichtung kann aber auch an den Außenleitersträngen der Primärseite des Netztransformators bzw. den Wechselspannungsausgangsleitungen des Wechselrichters angeschlossen sein.The power transformer is preferably a three-phase transformer having three outer conductor strings connected to a three-phase inverter or to separate single-phase inverters. In the star connection, the other ends are then connected together at the star point, wherein the star point preferably forms the neutral terminal, which is electrically connected via the neutral conductor to the bias voltage generation device and the connection point between the intermediate circuit capacitors. The biasing device can also be connected to the outer conductor strands of the primary side of the power transformer or the AC output lines of the inverter.
Die Vorspannungserzeugungseinrichtung weist eine Konstantspannungsquelle auf, die zwischen Erde und dem Wechselspannungsausgang des Wechselrichters angeschlossen ist. Die Konstantspannungsquelle kann variabel sein, so dass die Größe und Polarität der von der Konstantspannungsquelle gelieferten Vorspannung im Betrieb gesteuert bzw. geregelt werden kann.The bias generator has a constant voltage source between ground and the AC output of the inverter is connected. The constant voltage source may be variable so that the magnitude and polarity of the bias voltage provided by the constant voltage source may be controlled in operation.
Die erfindungsgemäße induktive HF-Entkopplungseinrichtung ist zur HF-Entkopplung des Photovoltaikgenerators von der Wechselspannungseingangsseite des Wechselrichters vorgesehen. In einer besonders bevorzugten, einfach implementierbaren Ausführungsform ist die induktive HF-Entkopplungseinrichtung durch eine einzige Induktivität, bspw. eine Drossel, Spule oder dergleichen, gebildet, die in Reihe zu der Vorspannungserzeugungseinrichtung zwischen Erde und dem Neutralleiter angeschlossen ist. Der Neutralleiter ist vorzugsweise mit dem Sternpunkt des am Ausgang des Wechselrichters angeschlossenen Netztransformators, wie oben erläutert, und bevorzugterweise auch mit dem Schutzleiter der Photovoltaikanlage verbunden.The inventive inductive RF decoupling device is provided for RF decoupling of the photovoltaic generator from the AC input side of the inverter. In a particularly preferred, easily implementable embodiment, the inductive RF decoupling device is formed by a single inductance, for example a choke, coil or the like, which is connected in series with the bias voltage generating device between earth and the neutral conductor. The neutral conductor is preferably connected to the star point of the network transformer connected to the output of the inverter, as explained above, and preferably also to the protective conductor of the photovoltaic system.
Die Induktivität wirkt wie ein HF-Widerstand zur Trennung bzw. Dämpfung hochfrequenter Ableitströme. Sie ermöglicht die Potentialsprünge an dem Sternpunkt und verhindert, dass diese auf die Gleichspannungsseite rückgekoppelt werden. Gleichzeitig wird an dem Sternpunkt ein der durch die Vorspannungserzeugungseinrichtung vorgegebenen Vorspannung entsprechendes mittleres Potential aufrechterhalten, das auch das (mittlere) Potential auf der Gleichspannungsseite des Wechselrichters bzw. an dem Photovoltaikgenerator bestimmt.The inductance acts as an HF resistor for the separation or damping of high-frequency leakage currents. It enables the potential jumps at the star point and prevents them from being fed back to the DC side. At the same time, a mean potential corresponding to the bias predetermined by the bias voltage generating means is maintained at the neutral point, which also determines the (average) potential on the DC side of the inverter or on the photovoltaic generator.
In der alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen induktiven HF-Entkopplungseinrichtung weist diese die der Anzahl der Phasen des Wechselrichterausgangsspannung entsprechende Anzahl von Induktivitäten auf, die jeweils mit einem Wechselspannungsausgangsanschluss des Wechselrichters verbunden und andererseits an einem gemeinsamen Verbindungspunkt zusammengeschlossen sind. An den Verbindungspunkt ist dann die Vorspannungserzeugungseinrichtung angeschlossen. Vorteilhafterweise kann diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen HF-Entkopplungseinrichtung bei Netztransformatoren sowohl in Sternschaltung als auch in Dreiecksschaltung verwendet werden, weil der gemeinsame Verbindungspunkt der Induktivitäten einen virtuellen Sternpunkt für den Anschluss einer Vorspannungserzeugungseinrichtung bildet. Im Übrigen sind die mehreren Induktivitäten zur Trennung bzw. Dämpfung von hochfrequenten Ableitströmen in gleicher Weise wirksam wie die einzelne Induktivität der vorstehend erläuterten Ausführungsform.In the alternative embodiment of the inductive RF decoupling device according to the invention, this has the number of phases of the inverter output voltage corresponding number of inductors, which are each connected to an AC output terminal of the inverter and on the other hand connected together at a common connection point. The bias voltage generating device is then connected to the connection point. Advantageously, this embodiment of the RF decoupling device according to the invention can be used in mains transformers both in star connection and in delta connection, because the common connection point of the inductors forms a virtual neutral point for the connection of a bias voltage generating device. Incidentally, the plurality of inductors for separating or damping high-frequency leakage currents are effective in the same way as the single inductance of the embodiment explained above.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung ferner eine Sensoreinrichtung zur Erfassung von Messparametern, einschließlich der Gleichspannungspotentiale am Eingang des Wechselrichters und eines Stroms in dem Zweig der Vorspannungserzeugungseinrichtung, sowie eine Steuereinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, auf der Basis der Messparameter den Betrieb der Vorrichtung zu steuern, mögliche Fehlerzustände zu erkennen und darauf zu reagieren. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung auch dazu eingerichtet, den Wert der durch die Vorspannungserzeugungseinrichtung angelegten Vorspannung anhand der erfassten Messparameter je nach Bedarf variabel einzustellen. Insbesondere kann sie in der Lage sein, die Größe der Vorspannung an die Spannung des Photovoltaikgenerators geeignet anzupassen, die je nach Tageszeit, Einstrahlungsverhältnissen, Temperatur und sonstigen Witterungs- und Umgebungsverhältnissen variiert. Zum Beispiel kann für den Leerlaufbetrieb ein höheres Vorspannungspotential entsprechend der höheren Generatorspannung im Leerlauf bereitgestellt werden, während im Betrieb das Vorspannungspotential passend reduziert werden kann, um hohe Isolationsbelastungen und Verluste, wie sie mit einem starren Vorspannungswert verbunden wären, zu vermeiden.In a preferred embodiment of the invention, the apparatus further comprises a sensor device for detecting measurement parameters, including the DC potentials at the input of the inverter and a current in the branch of the bias voltage generation device, and a control device, which is adapted to operate on the basis of the measurement parameters to control the device to detect possible fault conditions and to respond to it. Preferably, the control device is also set up to variably set the value of the bias voltage applied by the bias voltage generation device on the basis of the detected measurement parameters as required. In particular, it may be able to suitably adjust the magnitude of the bias voltage to the voltage of the photovoltaic generator, which varies depending on the time of day, irradiation conditions, temperature and other weather and environmental conditions. For example, for idle operation, a higher bias potential corresponding to the higher generator voltage at idle may be provided, while in operation, the bias potential may be appropriately reduced to avoid high isolation loads and losses associated with a fixed bias value.
Es ist selbstverständlich, dass die Steuereinrichtung zur Steuerung bzw. Regelung des Wechselrichters einerseits und der Vorspannungserzeugungseinrichtung andererseits nach Belieben entweder durch eine gemeinsame integrale Steuereinheit oder durch unterschiedliche, verteilte Steuereinheiten gebildet und in Software und/oder Hardware ausgeführt sein kann.It goes without saying that the control device for controlling the inverter on the one hand and the bias voltage generating device on the other hand can be formed at will either by a common integral control unit or by different, distributed control units and executed in software and / or hardware.
Die Steuereinrichtung kann eine Logik zur Erkennung von Erdschlüssen bzw. Isolationsfehlern anhand der von der Sensoreinrichtung erfassten Messparameter aufweisen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist diese Logik ferner zur Erkennung eines schleichenden Isolationsfehlers wie folgt eingerichtet: Zunächst gibt die Logik einen ersten Wert für das Vorspannungspotential der Vorspannungserzeugungseinrichtung vor, und es wird die Größe der Gleichspannungspotentiale am Eingang des Wechselrichters und der Strom in dem Zweig der Vorspannungserzeugungseinrichtung gemessen. Anschließend modifiziert die Logik aktiv das Potential der Vorspannung der Vorspannungserzeugungseinrichtung und gibt einen zweiten Wert für diese vor. Die Sensoreinrichtung erfasst daraufhin die Größe der Gleichspannungspotentiale am Eingang des Wechselrichters und den Strom in dem Zweig der Vorspannungserzeugungseinrichtung für den zweiten vorgegebenen Vorspannungspotentialwert. Aus den Mess- und Vorgabewerten für die Spannungspotentiale und die Ströme bestimmt die Logik anschließend die Isolationswiderstände an dem positiven und dem negativen Gleichspannungseingangsanschluss des Wechselrichters. Durch Vergleich der ermittelten Isolationswiderstände mit Referenzwerten kann die Logik das Einsetzen eines Isolationsfehlers rechtzeitig erkennen. Vorteilhafterweise kann diese Erkennung eines schleichenden Isolationsfehlers auch im Betrieb, bspw. auf periodischer Basis erfolgen.The control device can have logic for detecting ground faults or insulation faults on the basis of the measurement parameters detected by the sensor device. In a particularly preferred embodiment, this logic is further configured to detect a creeping isolation fault as follows: First, the logic provides a first value for the bias potential of the bias generator, and the magnitude of the DC potentials at the input of the inverter and the current in the branch of the inverter Bias voltage generator measured. Subsequently, the logic actively modifies the potential of the bias voltage of the bias generator and provides a second value for it. The sensor device then detects the magnitude of the DC potentials at the input of the inverter and the current in the branch of the bias voltage generator for the second predetermined bias potential value. From the measurement and default values for the voltage potentials and currents, the logic then determines the isolation resistances at the positive and negative DC input terminals of the inverter. By comparing the determined insulation resistances with reference values, the Logic recognize the onset of an insulation fault in good time. Advantageously, this recognition of a creeping insulation fault can also take place during operation, for example on a periodic basis.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Zusatzmodul für eine Vorrichtung zur Umwandlung einer eingangsseitig angelegten elektrischen Gleichspannung aus einem Photovoltaikgenerator in eine ausgangsseitige Wechselspannung geschaffen, wobei die Vorrichtung wenigstens einen transformatorlosen Wechselrichter mit einem Gleichspannungseingang zum Anschluss eines Photovoltaikgenerators und einen Wechselspannungsausgang aufweist. Das erfindungsgemäße Zusatzmodul weist einen Anschluss zur Verbindung mit dem Wechselspannungsausgang des Wechselrichters, eine Vorspannungserzeugungseinrichtung zum Anlegen eines Vorspannungspotentials an dem Anschluss, wodurch im Betrieb auch das Spannungspotential an dem Gleichspannungseingang des Wechselrichters beeinflusst wird, wenn der Anschluss des Zusatzmoduls mit dem Wechselspannungsausgang des Wechselrichters verbunden ist, und eine induktive HF-Entkopplungseinrichtung auf, die im Betrieb zur HF-Entkopplung der Wechselspannungsseite von der Gleichspannungsseite des Wechselrichters eingerichtet ist, wenn der Anschluss des Zusatzmoduls mit dem Wechselspannungsausgang des Wechselrichters verbunden ist.According to a further aspect of the invention, an additional module for a device for converting an input-side applied electrical DC voltage from a photovoltaic generator is provided in an output-side AC voltage, wherein the device comprises at least one transformerless inverter with a DC input for connection of a photovoltaic generator and an AC output. The add-on module according to the invention has a connection for connection to the AC output of the inverter, biasing means for applying a bias potential to the connection, thereby also affecting the voltage potential at the DC input of the inverter during operation when the connection of the additional module is connected to the AC output of the inverter , and an inductive RF decoupling device, which is configured in operation for RF decoupling of the AC side from the DC side of the inverter when the terminal of the additional module is connected to the AC output of the inverter.
Das Zusatzmodul kann somit als nachrüstbare Baueinheit in einer bestehenden Photovoltaikanlage nachträglich eingebaut werden. Es kann prinzipiell an einer beliebigen Stelle zwischen dem Wechselrichterausgang und einem Netztransformator angeschlossen, in dem Gehäuse des Wechselrichters oder des Netztransformators untergebracht oder in den Wechselrichter bzw. Netztransformator integriert werden. Im Übrigen kann das Zusatzmodul, insbesondere dessen HF-Entkopplungseinrichtung, Vorspannungserzeugungseinrichtung und Steuereinrichtung, in der im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Umwandlungseinrichtung vorstehend beschrieben Weise weitergebildet werden. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die vorstehende Beschreibung möglicher Ausführungsformen und deren Vorteile verwiesen.The additional module can thus be retrofitted as a retrofittable unit in an existing photovoltaic system. It can in principle be connected at any point between the inverter output and a mains transformer, housed in the housing of the inverter or the mains transformer or integrated into the inverter or mains transformer. Incidentally, the additional module, in particular its RF decoupling device, bias voltage generation device and control device, can be further developed in the manner described above in connection with the conversion device according to the invention. To avoid repetition, reference is made to the above description of possible embodiments and their advantages.
Die Erfindung ermöglicht es, transformatorlose Wechselrichter an Photovoltaikgeneratoren zu betreiben, die aus Dünnschichtmodulen oder kristallinen Modulen mit rückseitiger Zellenkontaktierung aufgebaut sind, unter Vermeidung von Beschädigungen und Wirkungsgradminderungen aufgrund von TCO-Korrosionen und Polarisationseffekten und unter Vermeidung hoher Ableitströme an dem Photovoltaikgenerator, die einen Schaden an den Komponenten der Photovoltaikanlage verursachen können.The invention makes it possible to operate transformerless inverters on photovoltaic generators made of thin-film modules or crystalline modules with back cell contacting, avoiding damage and efficiency reductions due to TCO corrosion and polarization effects and avoiding high leakage currents to the photovoltaic generator causing damage can cause the components of the photovoltaic system.
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung oder der Unteransprüche. In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:Further details of advantageous embodiments of the invention are the subject of the drawing, the description or the dependent claims. In the drawings, embodiments of the invention are illustrated. Show it:
Der Wechselrichter
Eine mögliche Ausführungsform des Wechselrichters
Der Wechselrichter
Erneut bezugnehmend auf
Der Transformator
Wie ferner aus
Zur Einstellung der Vorspannung der Vorspannungserzeugungseinrichtung
Die soweit beschriebene Photovoltaikanlage ist an sich bekannt und funktioniert wie folgt: Der Photovoltaikgenerator
Während des Betriebs legt die Vorspannungserzeugungseinrichtung eine Vorspannung an dem Neutralanschluss
Wie bekannt ist, bilden Photovoltaikmodule elektrisch aufladbare Flächen, die einem geerdeten Gestell gegenüberliegen und somit parasitäre Kapazitäten bilden, die Ladung speichern können. Die parasitären Kapazitäten der Photovoltaikmodule sind verhältnismäßig groß und liegen im Bereich von etwa 1 μF pro Kabelspitzenspannung. Sie hängen von konstruktiven Faktoren, wie den verwendeten Materialien und der zur Ladungsspeicherung wirksamen Fläche, ab und können durch wetterbedingte Faktoren, z. B. bei Benetzung mit Wasser, erheblich vergrößert werden. Jedenfalls sind die parasitären Kapazitäten von Photovoltaikmodulen erheblich größer als die auf der Wechselspannungsseite eines transformatorlosen Wechselrichters. In
In einer herkömmlichen Photovoltaikanlage mit einem dreiphasigen Wechselrichter insbesondere der Halbbrückenkonfiguration, wie in
Um dies zu vermeiden ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine induktive HF-Entkopplungseinrichtung
Die Ausführungsform der Vorrichtung
Im Übrigen sind die einzelnen Induktivitäten
In
In der in
Die erfindungsgemäße Logik
Die Sensoreinrichtung
Der Vorgang wird für eine zweite vorgegebene Spannung wiederholt. Die Steuereinrichtung
Anschließend oder bereits parallel zu den vorstehenden Schritten bestimmt die Steuereinrichtung
Mit den obigen Gleichungen können die beiden unbekannten Isolationswiderstände RISO,DC+ und RISO,DC– einfach ermittelt werden.With the above equations, the two unknown insulation resistances R ISO, DC + and R ISO, DC- can be easily determined.
Die ermittelten Isolationswiderstände können bspw. mit Referenzwerten verglichen werden, um eventuelle Isolationsfehler zu erkennen (S6).The insulation resistances determined can, for example, be compared with reference values in order to detect possible insulation faults (S6).
Durch fortlaufende Überwachung der Isolationswiderstände können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise bereits schleichende Isolationsfehler erkannt werden. Das Verfahren kann auch im Betrieb durch periodische, kurzzeitige Veränderung der Vorspannung auf ein gegenüber dem normalen Betriebsniveau anderes Niveau schnell durchgeführt werden.Continuous monitoring of the insulation resistances can advantageously be used to detect creeping insulation faults with the method according to the invention. The method can also be performed quickly in operation by periodically, briefly changing the bias voltage to a different level than the normal operating level.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Modifikationen möglich. So kann bspw. der dreiphasige Wechselrichter
Es ist eine Photovoltaikanlage
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US20140333141A1 (en) * | 2013-05-07 | 2014-11-13 | University Of Central Florida Research Foundation, Inc. | Photovoltaic (pv)-based ac module and solar systems therefrom |
DE102014109978A1 (en) * | 2013-07-18 | 2015-01-22 | Sma Solar Technology Ag | Method, circuit arrangement and photovoltaic inverter with means for leakage current compensation in a photovoltaic system with multiple differential current sensors |
DE202015009364U1 (en) * | 2015-02-18 | 2017-04-06 | Sma Solar Technology Ag | Device for insulation resistance determination on a PV generator and photovoltaic system |
US9888843B2 (en) * | 2015-06-03 | 2018-02-13 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Capacitive sensors for determining eye gaze direction |
DE102015111804B3 (en) * | 2015-07-21 | 2016-12-15 | Sma Solar Technology Ag | METHOD FOR OPERATING AN INVERTER AND INVERTER, AND PHOTOVOLTAIC PLANT |
WO2017073079A1 (en) * | 2015-10-28 | 2017-05-04 | 京セラ株式会社 | Power control device, control method for power control device, power control system and control method for power control system |
US10700526B2 (en) * | 2016-03-14 | 2020-06-30 | Ge Energy Power Conversion Technology Ltd. | Solar power converter with four-wire grid-side connection |
CN105790213B (en) * | 2016-04-14 | 2019-01-22 | 袁月春 | A kind of residual current counteracting method and its earth leakage protective device |
US10670022B2 (en) * | 2016-05-17 | 2020-06-02 | Sanjay K Roy | Solar powered pumping system |
DE102017129083A1 (en) * | 2017-12-06 | 2019-06-06 | Sma Solar Technology Ag | Fail-safe operating method for a decentralized power generation plant |
US20210376788A1 (en) * | 2018-08-29 | 2021-12-02 | Arizona Board Of Regents On Behalf Of Arizona State University | Self-powered voltage ramp for photovoltaic module testing |
CN114966205A (en) * | 2021-02-19 | 2022-08-30 | 华为数字能源技术有限公司 | Insulation impedance detection method, device and system |
DE102021104289B4 (en) | 2021-02-23 | 2022-09-08 | Sma Solar Technology Ag | Method and device for detecting an insulation resistance of a DC voltage source connected to a divided intermediate circuit in mains parallel operation |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10221592A1 (en) * | 2002-05-15 | 2003-12-04 | Fraunhofer Ges Forschung | Current inverter for direct/alternating currents, has direct and alternating connections with an intermediate power store, a bridge circuit, rectifier diodes and a inductive choke |
DE102004037446B4 (en) * | 2004-08-02 | 2006-11-02 | Conergy Ag | Transformerless inverter for solar grid feed-in |
WO2008154918A1 (en) * | 2007-06-20 | 2008-12-24 | Powerlynx A/S | Inverter unit without transformer for thin-film solar panels |
DE102009024224A1 (en) * | 2009-06-08 | 2010-04-08 | Siemens Aktiengesellschaft | System vibration limiting method for intermediate voltage circuit-converter, involves changing pulse frequency of clocked input to predetermined frequency, if actual value of intermediate circuit voltage of converter exceeds threshold value |
WO2010051812A1 (en) * | 2008-11-07 | 2010-05-14 | Danfoss Solar Inverters A/S | Photovoltaic power plant having an offset voltage source controlling the dc potential at the inverter output |
WO2010078669A1 (en) * | 2009-01-08 | 2010-07-15 | Iworks Ag | Device for photovoltaic power plants to adjust the electric potential in photovoltaic generators |
WO2010106059A1 (en) * | 2009-03-16 | 2010-09-23 | Sma Solar Technology Ag | Method and device for the isolation monitoring of an it network |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3775663A (en) * | 1972-08-24 | 1973-11-27 | Gen Electric | Inverter with electronically controlled neutral terminal |
US4922400A (en) * | 1989-08-03 | 1990-05-01 | Sundstrand Corporation | Neutral forming circuit |
US5734256A (en) * | 1995-05-31 | 1998-03-31 | General Electric Company | Apparatus for protection of power-electronics in series compensating systems |
WO2007048420A1 (en) * | 2005-10-24 | 2007-05-03 | Conergy Ag | Inverter |
DE102007038959A1 (en) * | 2007-08-14 | 2009-02-26 | Sma Solar Technology Ag | inverter |
ES2337216T3 (en) * | 2008-06-19 | 2010-04-21 | Sma Solar Technology Ag | SOLAR POWER PLANT. |
-
2011
- 2011-07-19 DE DE201110051954 patent/DE102011051954B4/en not_active Expired - Fee Related
-
2012
- 2012-07-18 US US14/233,171 patent/US20140306544A1/en not_active Abandoned
- 2012-07-18 EP EP12743937.0A patent/EP2735071A1/en not_active Withdrawn
- 2012-07-18 WO PCT/EP2012/064045 patent/WO2013011046A1/en active Application Filing
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10221592A1 (en) * | 2002-05-15 | 2003-12-04 | Fraunhofer Ges Forschung | Current inverter for direct/alternating currents, has direct and alternating connections with an intermediate power store, a bridge circuit, rectifier diodes and a inductive choke |
DE102004037446B4 (en) * | 2004-08-02 | 2006-11-02 | Conergy Ag | Transformerless inverter for solar grid feed-in |
WO2008154918A1 (en) * | 2007-06-20 | 2008-12-24 | Powerlynx A/S | Inverter unit without transformer for thin-film solar panels |
WO2010051812A1 (en) * | 2008-11-07 | 2010-05-14 | Danfoss Solar Inverters A/S | Photovoltaic power plant having an offset voltage source controlling the dc potential at the inverter output |
WO2010078669A1 (en) * | 2009-01-08 | 2010-07-15 | Iworks Ag | Device for photovoltaic power plants to adjust the electric potential in photovoltaic generators |
WO2010106059A1 (en) * | 2009-03-16 | 2010-09-23 | Sma Solar Technology Ag | Method and device for the isolation monitoring of an it network |
DE102009024224A1 (en) * | 2009-06-08 | 2010-04-08 | Siemens Aktiengesellschaft | System vibration limiting method for intermediate voltage circuit-converter, involves changing pulse frequency of clocked input to predetermined frequency, if actual value of intermediate circuit voltage of converter exceeds threshold value |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
Dr. F. Haase, Dr. U, BorupGround-Voltage-Control (GVC) for transformerless inverters in PV-power plants prevents tco corrosion and polarisation effects25th European photovoltaic solar energy conference and exhibition6-10 September 2010, Valencia, Spain |
Dr. F. Haase, Dr. U, BorupGround-Voltage-Control (GVC) for transformerless inverters in PV-power plants prevents tco corrosion and polarisation effects25th European photovoltaic solar energy conference and exhibition6-10 September 2010, Valencia, Spain * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP2735071A1 (en) | 2014-05-28 |
DE102011051954A1 (en) | 2013-01-24 |
US20140306544A1 (en) | 2014-10-16 |
WO2013011046A1 (en) | 2013-01-24 |
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